宽带隙半导体具有承受高脉冲电流的能力，这在固态断路器等应用中尤其有用
作者：Qorvo功率器件高级工程经理Pete Losee
 
宽带隙（WBG）器件，尤其是SiC FET、碳化硅JFET的级联和共封装硅MOSFET，正在引领降低半导体开关功率损耗的竞赛。这种安排产生了一个常关器件，带有一个简单的栅极驱动器和一个由“品质因数”组成的奖杯柜，击败了所有竞争技术。对于给定电压等级的器件R_DS(A)，特定的FoM是每单位管芯面积的导通电阻，它捕获了低静态和动态功率损耗以及经济性的组合。更小的管芯意味着每片晶圆更多器件，器件电容更低，从而降低开关损耗。到目前为止一切都很好，但较小的管芯是否有过度温升和峰值电流能力降低的风险？正如我们所看到的，恰恰相反。
 
SiC FET导通电阻比竞争器件高4-10倍
SiC FET是Qorvo[1] UJ4SC075005L8S的一种750V额定器件，采用TOLL封装，其R_DS(A) FoM比Gen 4 SiC-MOSFET高2.2倍，在整个温度范围内保持不变。实际上，该器件在25°C和9°C时的导通电阻为5.4 mΩ。125°C时为2mΩ，比仅额定电压为600/650V的硅或SiC MOSFET和GaN HEMT电池低4到10倍。
为了利用这种超低电阻，使其转化为高电流额定值，TOLL封装中Qorvo的SiC FET使用银烧结管芯连接和先进的晶圆减薄技术，从结到外壳的热阻仅为0.1°C/W。此外，SiC器件的最高结温为175°C，而硅通常为150°C。因此，单个器件可以连续通过80A，固定在适度的0.58°C/W散热器上，结温度为175°C，环境温度为85°C。这是一个TOLL封装，占位面积只有9.8mm x 11.65mm，高2.3 mm。
 
SiC FET峰值电流额定值远高于连续额定值
SiC器件及其额定电流的T_J(Max)值是由所使用的封装有效设置的——碳化硅作为一种材料实际上能够安全工作到超过500°C。即使我们将级联SiC FET的JFET中的瞬态最大值限制在175°C，当从较低的温度开始时，显然有可能处理连续额定值许多倍的峰值电流。给定峰值电流的时间限制由管芯的热容量及其与内部铜引线框的直接连接来设置，并且可以通过特定管芯和封装的瞬态热阻抗图来表征。图1给出了Qorvo UJ4SC075005L8S器件的值。
 

图1：Qorvo器件UJ4SC07500L8S的瞬态热阻抗与脉冲宽度和占空比
 
例如，从图中可以看出，单个100µs脉冲将导致结温的瞬时升高，每瓦功率耗散约0.015°C，而如果相同脉冲以50%的占空比重复，则会持续升高至约0.07°C/W。在大约10ms的脉冲持续时间下，热阻抗趋向于稳态值，且在超过1秒的持续时间内，占空比小于50%的脉冲可以被视为单独的事件，因为结在脉冲之间完全冷却了。
对示例器件UJ4SC075005L8S的实际意义如图2所示。在这种情况下，器件外壳被焊接到PCB上的铜平面上，铜热过孔穿过保持在50°C的背面铝散热器，由绝缘热界面材料（TIM）隔开，增加了一些热阻。在这种安排中，连续额定电流为89A，但在结达到175°C之前，500µs的单脉冲可以处理高达588A的峰值电流。该图显示了脉冲电流的中间值和允许的持续时间。可以看到，电流脉冲后具有多个热时间常数的结冷却，以及大约1秒的总体最坏情况下的加热和冷却时间，之后的脉冲可以被视为单个事件。
 

图2：UJ4SC075005L8S在175°C的最大结温下的实际峰值电流能力与时间和脉冲宽度
 
在对大型散热器具有较小界面热阻的其他条件下，受内部接合线的限制，器件的最大连续电流可高达120A。
SiC FET与Si-MOSFET的比较
结果看起来不错，但与目前用于低功率固态断路器的硅MOSFET相比如何？保险丝和其他处理浪涌电流的器件通常采用“I²t”额定值，在TOLL封装中，SiC FET比Si MOSFET好8倍左右。图3显示了在与图2相同的物理布置中的比较，我们的示例SiC FET在500µs内承受588A，而Si MOSFET额定值仅为约200A，“I²t”差为8.6倍。
 

图3：SiC FET和Si MOSFET之间的“I²t”额定值比较
 
高峰值额定电流的进一步优势
显然，在任何应用中，SiC FET优越的脉冲电流额定值都能在过载条件下提供更好的安全裕度，但还有其他优点：SiC FET特别适用于具有电感负载的功率转换电路，其中电压过冲是不可避免的。该器件具有强大的雪崩能力，在UJ4SC075005L8S的情况下为316 mJ/单脉冲。此外，在人工智能、机器学习和流媒体等数据密集型应用的驱动下，服务器和类似应用中的板载DC/DC转换器越来越需要以较小的尺寸提供高峰值额定功率。
现在，转换器的设计通常假设结温将被驱动到其最大值，并且在某些占空比下，所经历的峰值电流可能更高。结温信息由传感器和预测算法使用数字控制（通常通过PMBus）反馈，以向负载提供必要的“节流”指令，以避免开关接点超过其绝对最大值。同样，SiC FET提供的高裕度提供了对电源系统的可靠性和寿命的信心。
在这些和类似的应用中，SiC FET的高峰值电流额定值可以潜在地减少对多个并联器件的需求，从而相应地节省器件成本和板面积。
 
固态断路器受益于高峰值电流耐受
固态断路器专门用于对高故障电流作出反应，SiC FET和JFET因其低电压降而越来越多地被使用，以取代IGBT，尤其是在较低电流水平下。然而，故障电流仍然可能非常高，SiC FET的峰值电流额定值是一个好处，它增加了鲁棒性，并允许过电流检测电路在反应前加入更长的延迟，使其更不受“干扰”触发的影响。
 
结论
在需要高功率密度和峰值负载处理的现代功率转换应用中，峰值电流额定值为数百安培的小型SiC FET是理想的组件。指标显示，这些器件明显优于同一电压等级中的GaN和Si或SiC MOSFET器件。在Qorvo网站上可以看到所描述的器件，以及适用于各种应用的各种替代器件。
 
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